随着全球能源危机的加剧和气候变化、人口增长的挑战，开发和利用可再生能源已成为紧迫任务。渗透能，也称为蓝色能源，因其巨大的储量和可持续性而备受关注。这种能源来源于不同溶液之间的盐度梯度差异。自然界中，某些生物体已经进化出利用这种离子浓度梯度的卓越系统。例如，电鳗能够利用电细胞产生超过600伏的电压，这基于钠和钾离子在钠和钾离子泵中的快速交换。受电鳗启发，研究人员构建了众多纳米流体通道来收集渗透能。尽管这些通道已显示出可观的输出功率密度，但繁琐的制备过程和高成本可能阻碍了它们的规模化和更广泛的应用。在过去十年中，二维纳米流体膜已成为收集渗透能的有前景途径。与传统的纳米流体通道系统相比，二维纳米流体膜因其简便的制造和易于化学改性而显示出巨大优势。然而，进一步的能量转换性能提升仍受限于渗透性和选择性之间的权衡效应。

在这项研究中，研究人员提出了一种纳米限制牺牲模板（NST）策略，用于在膜内创建精心设计的通道结构，称为图灵型纳米通道。通过使用铜氢氧化物纳米线作为牺牲模板，在层间形成了外部交织通道。这些图灵型纳米通道显著增加了传输路径和功能区域，使得离子电流提高了23%，同时保持了0.91的阳离子选择性。图灵型纳米通道膜的输出功率密度从3.9增加到5.9 W/m²，并且至少稳定运行了120小时。该膜在中国真实盐水环境中展现出增强的适用性，在自然海水中实现了7.7 W/m²的输出功率密度，在盐湖卤水中实现了9.8 W/m²的输出功率密度。这项工作展示了图灵通道设计在纳米限制离子传输能量转换领域的应用潜力。

图1 图灵型纳米通道二硫化钼复合膜（TNC-MCM）的制备过程和内部结构示意图。图灵型纳米通道的大小约为6纳米。

图2 CHNs的SEM图像、尺寸分布、TEM图像、AFM图像；MoS2纳米片的SEM图像、尺寸分布、TEM图像、AFM图像；以及TNC-MCM的光学图像和截面SEM图像。

图3 TNC-MCM的跨膜离子传输行为示意图；不同浓度KCl电解质下的I-V曲线；不同电解质浓度下的离子电导测量；在1000倍盐浓度梯度下的离子传输行为示意图；不同浓度梯度下的扩散电压和电流；不同pH值下TNC-MCM的I-T曲线；MCS和TNC-MCM在不同盐溶液中的离子电导。

图4 传统堆叠层状MoS2膜和TNC-MCM的离子传输比较；MCS和TNC-MCM在50倍NaCl浓度梯度下的I-V曲线；MCS和TNC-MCM在50倍NaCl浓度梯度下的输出功率密度和电流密度；CHNs悬浮液体积对Voc和Isc的影响；CHNs悬浮液体积对输出功率密度的影响；不同NaCl盐度梯度下TNC-MCM的I-V曲线；不同NaCl盐度梯度下TNC-MCM的输出功率密度；MCS和TNC-MCM在不同pH值下的表面zeta电位。

图5 TNC-MCM在不同自然海水和盐湖卤水中的输出功率密度；TNC-MCM在50倍浓度梯度下的长期稳定性；图灵型膜与报道的层状微米级2D膜的输出功率密度比较。

研究人员通过NST策略成功地在二硫化钼（MoS2）膜中创建了图灵型纳米通道，显著提高了渗透能转换效率。与传统的二维层状膜相比，TNC-MCM展现出更高的离子通量和选择性，实现了5.9 W/m²的输出功率密度，比原始MoS2复合膜高出约50%。此外，TNC-MCM在广泛的pH范围内保持高输出功率密度，适用于特定环境的应用。由于其独特的通道结构，TNC-MCM在各种真实海水环境中展现出卓越的性能，使用自然海水和盐湖卤水作为电解质时，输出功率密度可达到7.7和9.8 W/m²。这项研究强调了膜通道结构设计在渗透能收集中的关键作用，并为其他二维层状纳米流体膜的结构优化和创新提供了灵感。

本文来自“材料研究进展”。